[发明专利]等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及碳氢燃料重整技术，具体地指一种等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的方法及设备。

背景技术

目前，利用碳氢燃料制取富氢燃气的方法主要有化学催化法和等离子体重整法。化学催化法重整制氢是在催化剂的作用下，使碳氢燃料经过化学反应后变为氢气，它包括有水蒸气重整、部分氧化重整和自热重整。

水蒸气重整法比较成熟，制取的氢气含量高，是目前最常用的一种重整制氢方式。采用这种方法，将燃料与水蒸气混合后进入重整器，在高温和催化剂的作用下发生重整反应产生氢气。但这种反应为吸热反应，所需热量由部分燃料在外部燃烧产生，需要外部供热才能维持重整反应的进行；在整个系统中，参与燃烧反应的燃料大约占总燃料的25％，能量利用率较低；同时化学催化重整反应的响应时间比较长，催化剂容易中毒。

部分氧化重整利用燃料在氧气不足的情况下发生氧化还原反应，生产一氧化碳和氢气。该反应是放热反应，因而不需要外来的热源供给。但是此方法需要在反应前除硫以避免催化剂中毒失效；而且部分氧化重整的反应机理很复杂，副产物多，产生的氢气纯度低、产氢率低。

自热重整是将吸热的水蒸气重整和放热的部分氧化重整结合到一起，并在一定条件下实现热量的自平衡。这种方法虽然可以使系统的效率提高，但自热重整要求同时调节好氧气、水蒸气和燃料之间的比例，控制比较困难，并且在重整中易产生积碳现象而损伤催化剂。

等离子体重整制氢是一种先进的制氢技术，它采用等离子激发重整反应的发生，等离子体中的高能电子作用于碳氢分子，将其中的碳氢链打断形成小的分子，如氢气等。因为等离子的能量密度很高，使得这种方式具有起动快、动态响应快速、重整器结构简单紧凑等特点。但是，重整器所使用的高频高压电源会在电极上产生大量的热量而损失能量，能量利用率不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术所存在的不足，提供一种反应速度快、重整效率高、能量利用率高的等离子体协同催化复合反应制备富氢燃气的方法和设备。

为实现上述目的，本发明所设计的等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的方法，包括如下步骤：

1)将经过雾化处理的碳氢燃料雾滴导入同轴布置的筒形内电极和筒形外电极所构成的环状等离子体放电区中，使碳氢燃料雾滴在高能电子的撞击作用下发生基于自由基的等离子体重整反应，其中大部分的大分子碳氢链物质被打断并激活，产生大量的活性粒子和小分子混合物；

2)再将所产生的活性粒子和小分子混合物连同少量未反应的大分子碳氢链物质直接导入填充在筒形内电极空腔内的化学催化反应床层中，使它们在化学催化剂的表面发生急剧的催化反应，产生更多和更小的小分子混合物，同时筒形内电极产生的热量可为化学催化反应床层加热利用；

3)最后将所产生的小分子混合物导出，即可获得高浓度的富氢燃气。

具体地，所述碳氢燃料为含水乙醇、甲烷、甲醇或轻汽油。

进一步地，所述环状等离子体放电区的施加电压为5～20KV、频率为7～15KHz、电极放电间距为0.5～4mm。

进一步地，所述化学催化剂为镍基催化剂或铜基催化剂，所述化学催化反应的温度为320～400℃。

为实现上述方法专门设计的等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的设备，包括同轴布置的筒形内电极和筒形外电极，所述筒形内电极和筒形外电极之间形成环状等离子体放电区，所述环状等离子体放电区的一端为放电区进口，所述环状等离子体放电区的另一端为放电区出口，所述筒形内电极的空腔内填充有化学催化反应床层，所述化学催化反应床层的反应床进口与环状等离子体放电区的放电区出口位于同一侧并相连通，所述化学催化反应床层的反应床出口与环状等离子体放电区的放电区入口位于同一侧并相间隔。

作为优选方案，所述筒形内电极和筒形外电极之间设置有筒形阻挡介质层，所述筒形外电极套装在筒形阻挡介质层上。

具体地，所述筒形阻挡介质层为高绝缘材料的氧化铝陶瓷或石英，其电阻率大于10¹⁴Ω/cm、介电常数值≥9，厚度为0.4～1.0mm，临界击穿电场强度≥400KV/cm、吸水率为0.0％。

进一步地，所述筒形内电极和筒形外电极的一侧设置有密封端盖。这样，其结构简单实用，通过密封端盖的阻挡和导流作用下，可使所述化学催化反应床层的反应床进口与环状等离子体放电区的放电区出口在最短的距离内相连通。